Elektromagnetisk kompatibilitet i elektriska fordon

När ström passerar genom en ledare skapas elektromagnetiska fält och nästan alla elektroniska apparater som TV-apparater, tvättmaskiner, induktionskamin, trafikljus, mobiltelefoner, bankomater och bärbara datorer etc., kommer att avge de elektromagnetiska fälten. Fossilt drivna fordon lider också av elektromagnetisk störning (EMI) - Tändsystemet, startmotorn och brytarna orsakar bredband EMI och elektroniska enheter orsakar smalband EMI. Men jämfört med ICE (Internal Combustion Engine) -fordon är elektriska fordon en kombination av olika delsystem och elektroniska komponenter som batteri, BMS, DC-DC-omvandlare, inverter, elmotor, kraftkablar fördelade runt fordonet och laddare, alla dessa arbetar med höga effekt- och frekvensnivåer vilket orsakar utsläpp av högnivå lågfrekvent EMI.

Om vi observerar el- och spänningsvärdena för tillgängliga elfordon är effektnivåerna mellan några tiotals KW till hundratals KW medan spänningsvärdena är i hundratals volt så att strömnivåerna kommer att ligga i hundratals ampere, vilket orsakar starkare magnetfält

Nissan LEAF har 125 kW bakhjulsdrift fungerar på 400 V _DC
BMW i3 har 125 kW bakhjulsdrift fungerar på 500 V _DC
Tesla modell S har 235 kW bakhjulsdrift på 650 V _DC
Toyota Prius (3: e generationen) har 74 kW framhjulsdrift på 400 V _DC
Toyota Prius PHV har framhjulsdrift på 60 kW och fungerar på 350 V _DC
Chevrolet Volt PHV har framhjulsdrift på 55 kW (x2) på 400 V _DC

Låt oss överväga att ett elfordon med 100 kW elektrisk drivenhet som arbetar vid 400 V betyder att det har en ström på 250 A vilket skapar ett starkt magnetfält. Under utformningen av fordonet måste vi bedöma EMC (elektromagnetisk kompatibilitet) för alla dessa delsystem och komponenter för att säkerställa komponentsäkerhet tillsammans med levande varelser.

Termer och definitioner relaterade till EMC och EMI

EMC (elektromagnetisk kompatibilitet) hos en enhet eller utrustning betyder att den inte kan påverkas av elektromagnetiskt fält (EMF) och att inte påverka andra systemdrift med sin EMF när den arbetar i elektromagnetisk miljö. EMC representerar problem med elektromagnetisk emission, känslighet, immunitet och koppling.

Elektromagnetisk strålning betyder alstring och frisättning av elektromagnetisk energi till miljön. Alla oönskade utsläpp orsakar störningar eller störningar i annan elektronisk enhetsdrift som arbetar i samma miljö, dvs kallas elektromagnetisk störning (EMI).

Enhets elektromagnetiska känslighet indikerar att den är sårbar för oönskade utsläpp och störningar som orsakar funktionsfel eller nedbrytning av enheten. Om en enhet är mer mottaglig betyder den att den är mindre immun mot elektromagnetisk störning.

Elektromagnetisk immunitet hos en enhet innebär att den kan fungera normalt i närvaro av en elektromagnetisk miljö utan att det uppstår störningar eller går sönder på grund av elektromagnetiska utsläpp från en annan elektronisk enhet.

Elektromagnetisk koppling: mekanism för en enhets emitterade elektromagnetiska fält som når eller stör andra enheter.

Källor till elektromagnetisk störning (EMI) i EV

Kraftomvandlare är kända för att vara huvudkällan för elektromagnetisk störning i elektriska drivsystem. Dessa har växlingsenheter med hög hastighet, t.ex. konventionella bipolära transistorer med isolerad grind (IGBT) arbetar vid frekvenser från 2 till 20 kHz, snabba IGBT kan fungera upp till 50 kHz och SiC MOSFET kan till och med arbeta frekvenser över 150 KHz.
Elektriska motorer som arbetar vid höga effektnivåer orsakar elektromagnetiska utsläpp och fungerar som väg för EM-brus genom dess impedans. Och denna impedans förändras som en funktion av frekvensen. Eftersom elmotordrivenheter använder kraftomvandlare med höghastighets PWM-omkoppling, uppstår överspänningar vid motoruttagen, vilket orsakar det utstrålade EM-bruset. Och axelströmmen kan orsaka skador på motorlagren och funktionsfel hos fordonets styrenhet.
När dragbatterier fördelas blir strömmarna i batterierna och i sammankopplingarna en viktig källa för EMF-utsläpp och dessa är en viktig del av vägen för EMI.
Skärmade och oskärmade kablar som bär hög nivåström mellan olika delsystem som batteri till effektomvandlare, effektomvandlare till motor etc. i EV orsakar starkare magnetfält. Eftersom tillgängligt utrymme i EV för ledningsnät är begränsat placeras högspännings- och lågspänningskablar nära varandra och orsakar elektromagnetisk störning mellan dem.
Batteriladdarna och de trådlösa laddningsanläggningarna är de viktigaste externa EMI-källorna förutom EV intern EMI-källa. När trådlös kraftteknik används för att ladda EV, producerar ett starkt magnetfält i intervallet flera tiotals till hundratals kilohertz för att överföra flera KW till tiotals KWs kraft.

EMI-inverkan på elfordons elektroniska komponenter

Numera med framstegen inom teknik innehåller bilar fler elektroniska komponenter och system för korrekt drift och tillförlitlighet. Om vi ser elfordonsarkitekturen stora mängder elektriska och elektroniska system placeras i ett trångt utrymme. Detta orsakar elektromagnetisk störning eller korsprat mellan dessa system. Om EMC inte underhålls ordentligt kan dessa system fungera felaktigt eller kanske inte fungera.

EMC

De flesta av EMC-standarderna för fordon sätts av Society of Automotive Engineers (SAE), International Standards Organization (ISO), International Electrotechnical Committee (IEC), Institute of Electrical and Electronics Engineers Standards Association ( IEEE -SA), Europeiska gemenskapen (EG) och FN: s ekonomiska kommission för Europa (UNECE).

ISO 11451 specificerar de allmänna villkoren, riktlinjerna och grundläggande principerna för att testa fordonet för att bestämma immuniteten hos ICE och elektriska fordon över elektriska störningar smalbandsutstrålad EMF.

ISO 11452 specificerar de allmänna villkoren, riktlinjerna och grundläggande principerna för att testa komponenten för att bestämma immuniteten hos elektroniska komponenter i ICE och elektriska fordon över elektriska störningar smalbandsutstrålad EMF.

CISPR12 anger gränserna och mätmetoderna för att testa de utstrålade elektromagnetiska utsläppen från elfordon, ICE-fordon och båtar.

CISPR25 specificerar gränserna och metoderna för att mäta radiostörningsegenskaperna och proceduren för att testa fordonet för att bestämma RI / RE-nivåerna för skydd av mottagare som används ombord på fordon.

SAE J551 -1 specificerar prestandanivåer och mätmetoder för EMC för fordon och enheter (60Hz-18GHz).

SAE J551 -2 specificerar testgränser och metoder för mätning av radiostörningsegenskaper (utsläpp) hos fordon, motorbåtar och gnisttända motordrivna enheter.

SAE J551-4 specificerar testgränser och mätmetoder för radiostörningsegenskaper hos fordon och enheter, bredband och smalband, 150 KHz till 1000 MHz.

SAE J551-5 specificerar prestandanivåer och mätmetoder för magnetisk och elektrisk fältstyrka från elektriska fordon, 9 kHz till 30MHz.

SAE J551-11 specificerar fordonets elektromagnetiska immunitet - Av fordonskälla.

SAE J551- 13 specificerar fordons elektromagnetisk immunitet-bulkströminjektion.

SAE J551- 15 specificerar fordonets elektromagnetiska immunitet-elektrostatiska urladdning som kommer att ske i avskärmad rum.

SAE J551- 17 specificerar fordonets elektromagnetiska immunitet-kraftledning magnetfält.

2004/144 EG - Bilaga IV specificerar mätmetod för utstrålade bredbandsutsläpp från fordon.

2004/144 EG - Bilaga V specificerar mätmetod för utstrålade smalbandsutsläpp från fordon.

2004/144 EG - Bilaga VI specificerar testmetoden för fordonets immunitet mot elektromagnetisk strålning.

AIS-004 (del 3) ger krav på elektromagnetisk kompatibilitet i fordonsfordon.

AIS-004 (del 3) Bilaga 2 förklarar metoden för mätning av strålade elektromagnetiska utsläpp från fordon.

AIS-004 (del 3) Bilaga 3 förklarar mätmetod för utstrålade smalbandselektromagnetiska utsläpp från fordon.

AIS-004 (del 3) Bilaga 4 förklarar metod för testning av fordonens immunitet mot elektromagnetisk strålning.

AIS-004 (del 3) Bilaga 5 förklarar mätmetod för utstrålad bredbandselektromagnetisk strålning från elektriska / elektroniska delaggregat.

AIS-004 (del 3) Bilaga 6 förklarar mätmetod för utstrålad smalbandselektromagnetisk strålning från elektriska / elektroniska delaggregat.

Gränser för exponering av elektromagnetiska fält för människor

Elbilar producerar icke-joniserande elektromagnetisk strålning som inte påverkar människors hälsa under kort tidsexponering. Men under lång tidsexponering, om det utstrålade magnetfältet är mer än standardgränserna, påverkar det människors hälsa. Så när du konstruerar elfordon måste riskerna med magnetfältsexponering beaktas.

Elektromagnetisk exponering för passagerare påverkas av olika konfigurationer, effektnivåer och topologier för elfordon som framhjulsdrift eller bakhjulsdrift, batteriposition och avståndet mellan kraftutrustning till passagerarna etc.

Genom att överväga möjliga skadliga effekter av mänsklig exponering för elektromagnetiska fält internationella organisationer, inklusive Världshälsoorganisationen (WHO) och Internationella kommissionen för icke-joniserande strålskydd (ICNIRP), EU-direktiv, har IEEE specificerat gränser för maximal tillåten magnetfältsexponering för offentlig.

Frekvens (Hz)	Magnetfält H (AM ^-1)	Magnetisk flödestäthet B (T)
<0,153 Hz	9,39 x 10 ⁴	118 x 10 ^-3
0,153 -20Hz	1,44 x ¹⁰⁴ / f	18,1 x 10-3 / f
20- 759 Hz	719	0,904 x 10 ^-3
759 Hz - 3 KHz	5,47 x 105 / f	687 x 10 ^-3 / f

Nedan är tabellen som visar de maximalt tillåtna magnetfältnivåerna för allmänheten enligt IEEE-standarden

Med yrke avses människor som utsätts för EMF medan de utför sina vanliga arbetsaktiviteter.

Allmänhet avser resten av allmänheten utom yrkesmässig exponering för elektromagnetiska fält

Orienteringsvärden har ingen negativ hälsoeffekt under normala arbetsförhållanden och för personer som inte har någon aktiv implanterad medicinsk utrustning eller är gravida. Dessa motsvarar fältstyrka.

Handlingsvärde orsakar vissa effekter som exponeras för dessa nivåer. Dessa motsvarar det maximalt direkt mätbara fältet.

I grund och botten är åtgärdsvärdet högre än orienteringsvärdet.
Yrkesmässiga offentliga exponeringsvärden är högre än för allmänhetens exponeringsnivå.

Elektromagnetisk kompatibilitetstest

EMC-testning måste göras för att kontrollera om elfordon följer de normer som krävs eller inte . Laboratorietester och vägtester utförs på elfordon för att bedöma EMC. Dessa tester består av utsläpp, känslighet och immunitetstester.

Laboratorietester görs för att karakterisera magnetfältets utsläpp och känslighet från all inbyggd elektrisk utrustning i en EMC-testkammare. Dessa kamrar är anekoiska och efterklangstyper.

För genomförda utsläppstester inkluderar givarna linjepedansstabiliseringsnätverket (LISN) eller det konstgjorda nätverket (AMN) används. För strålningstestning används antenner som givare. Strålningsutsläpp mäts i alla riktningar runt enheten som testas (DUT).

Känslighetstestning använder kraftfull källa för RF EM-energi och en strålningsantenn för att rikta den elektromagnetiska energin till DUT. När du gör test på elfordon utom den testade enheten (DUT) stängs allt av och sedan mäts magnetfältet.

Utvändiga tester görs i verkliga förhållanden på vägkörningsförhållanden. I dessa tester måste fordonet som testas köra med maximal acceleration och retardation för att säkerställa maximal ström under dragkraft och regenerativ bromsning. Dessa tester kommer att utföras på rak väg där magnetfält på grund av jorden är konstanta och i vissa fall på branta sluttningar. När vi gör på vägprov måste vi identifiera de yttre magnetiska störningarna från externa källor som järnvägslinjer, klyftor och andra bilar, kraftfördelningsutrustning, högspänningsöverföringsledningar och transformatorer.

Utforma riktlinjer för bättre EMC och för att sänka EMI

DC-kablar som bär höga strömmar bör göras i tvinnad form så att strömmen i denna kabel flödar i motsatt riktning resulterar i minimering av EMF-utsläpp.
Trefas växelströmskablar ska vridas och måste placeras så nära som möjligt för att minimera EMF-utsläpp från dem.
Och alla dessa kraftkablar måste placeras så långt bort som möjligt från passagerarplatsområdet. Och dessa anslutningar bör inte bilda en slinga.
Om avståndet mellan passagerarsäten och kabeln är mindre än 200 mm måste skärmning användas.
Motorer måste placeras längre bort från passagerarplatsområdet och motorns rotationsaxel bör inte peka mot passagerarplatsområdet.
Eftersom stål har bättre avskärmningseffekt, om vikten tillåter istället för aluminium, måste stålmetallhus användas för motor.
Om avståndet mellan motor- och passagerarplatsområdet är mindre än 500 mm, måste skärmning som stålplåt användas mellan motor- och passagerarplatsområdet.
Motorhuset ska vara ordentligt jordat på chassit för att minimera eventuell elektrisk potential.
För att minimera kabellängden mellan växelriktaren och motorn monterades de så nära varandra som möjligt.
För att undertrycka överspänningen, axelströmmen och utstrålat brus bör en EMI-brusregulator anslutas till motoranslutningarna.
Ett digitalt aktivt EMI-filter måste integreras i den digitala styrenheten i en DC-DC-omvandlare för att ladda lågspänningsbatteriet och för att ge betydande EMI-dämpning.
För att undertrycka EMI under trådlös laddning har resonansreaktiv avskärmning utvecklats. Här passerar läckagemagnetfältet genom de resonansreaktiva skärmspolarna på ett sådant sätt att den inducerade EMF i varje skärmspole kan avbryta den infallande EMF och magnetfältläckaget effektivt kan undertryckas utan att förbruka ytterligare effekt.
Ledande avskärmning, magnetisk avskärmning och aktiv avskärmningsteknik har utvecklats för att skydda den elektromagnetiska fältemissionen från WPT-systemet.
En EMI-brusregulator har utvecklats för elektriska fordon, som är fäst på motoranslutningarna för att dämpa överspänningen, axelströmmen och utstrålat brus.